在商业处理器中提供46%的热管理提升

微处理器系统中的热管理是确保工作流程高效执行的重要因素。Teledyne e2v 展示了如何通过优化处理器的硬件和软件级别来降低能耗。在接受 embedded.com 采访时，数据处理解决方案应用工程师 Thomas Porchez 强调了与特定应用的数据表上的值相比，该技术如何将能耗降低 46%。

在设计流程结束时，工程师通常会遇到能源管理挑战，而小尺寸为散热器或风扇留下的空间很小。这会导致性能下降。

通过对整个系统行为的深入分析，可以定义最佳方法来克服维持有限功率预算和节省空间措施的潜在挑战。这可以通过查看处理器 CPU 负载数据、核心频率和结温来完成。Teledyne e2v 能够提供一种优化处理器的方法，同时节省能源并最大限度地减少热量产生。

静态和动态功耗

高处理频率对整个计算机系统的能量消耗施加了严格的限制。因此，应始终将每个设备的能耗降至最低。功率计算不仅决定了电源的大小，还决定了最大的运行可靠性。

处理器的能耗通常分为静态能耗和动态能耗。静态功耗对应于流经器件的漏电流，并随温度线性变化。逻辑门的总漏电流包括两个主要部分：亚阈值和门漏电流。亚阈值漏电流在 CMOS 数字电路中是显着的，它随着阈值电压的降低呈指数增长。

“静态能耗的有趣之处在于它不能通过路径重复，即您可以选择降低能耗的路径，”Porchez 说。

另一端的动态功耗或多或少与结温无关，但取决于 CPU 负载、CPU 的平台和频率以及使用的外围设备。这意味着动态功耗取决于应用。

动态功耗是通过考虑两个因素的总和来计算的：开关功率和短路功率。当对内部电容和网络电容进行充电或放电时，会消耗开关功率。短路功率是栅极切换状态时电源电压和地之间的瞬时短路连接所消耗的功率。

图 1：温度对功耗的影响

Teledyne 解决方案

实际演示使用两台由 Teledyne e2v 合作伙伴设计的单板计算机进行。每台单板计算机上都放置了一个四核架构的 T1042 处理器，最高可运行 1.5 GHz。

一个处理器运行提供 100% CPU 负载的应用程序。另一个是 Teledyne 优化的处理器，运行相同的应用程序并提供 50% 的 CPU 负载。红外热像仪同时分析这两个过程。摄像头图像显示在屏幕上（图 2）。

图 2：降低热负载的演示：左侧为标准处理器的电路板，右侧为 Teledyne 优化处理器的电路板

“查看左侧处理器，我们发现散热器的温度约为 71 度，右侧处理器的温度约为 59 度。所以大约相差12度。在端子上，我们看到两种工艺的结温仍然存在巨大差异，”Porchez 说。

他补充说：“如果我们详细查看能源消耗过程，这很有趣，我们会发现这两个过程之间的差异在 1.5 到 2 瓦之间，这是一个巨大的差异。

Teledyne e2v 指出，该案例研究可以使 T1042 的功耗降低 46%，这与阅读 T1042 规范所期望的结果相比。

图 3：总功耗降低

“在与客户的深入讨论中，我们得出结论，他们的应用不需要处理器的最大功能。客户实际上担心数据表中的功率数据（在高计算场景中列出的值），因此我们帮助他们缩小了实际功率估算范围。在此之后，我们能够将其转化为静态功耗限制，并同意交付符合此要求的部件，”Porchez 说。

功耗是集成电路面临的主要挑战之一。动态功率在 CMOS 电路中占主导地位。动态耗散是由于电流短路和负载容量充电和放电引起的开关活动的结果。

更低的功耗（除了更高的带宽）将是下一代处理器的主要因素。更高速度的全球趋势需要新的解决方案来优化能源管理。一种旨在降低动态功耗的技术涉及动态调整 CPU 中的电压和频率。这种操作称为动态电压和频率缩放 （DVFS）。它受益于 CPU 具有离散的频率和电压设置这一事实。Porchez 强调，这种方法为设计人员提供了在应用程序中安装更大处理器的机会，他们最初认为由于功率限制，这是不可能的。这使他们能够在系统中获得更大的计算能力余量，以适应未来的用例演变。

审核编辑：郭婷